激光熔池多项技术革新！COMSOL毫秒激光打孔熔池演化仿真细节公开

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近期，激光打孔熔池演化仿真领域迎来多项技术革新，从 AI 驱动的预测模型到高效数值模拟方法，再到复合脉冲仿真技术，一系列突破正逐步破解多物理场耦合建模复杂、仿真精度与效率难兼顾等行业痛点。这些前沿进展为科研与工业领域的工艺优化提供了新路径，也让仿真技术向工业化实用化迈出关键步伐。

近日，由笔者原创的《COMSOL毫秒激光打孔熔池演化仿真全流程实战课》在仿真秀官网正式上线。我以论文复现为核心目标，从激光应用基础切入，全面讲解毫秒激光打孔熔池演化的 COMSOL 仿真技术。内容涵盖物理模型调用、几何建模、网格划分、核心数值方法（热焓法、水平集方程）、能量 / 动量方程修改、多力场添加、边界条件设置、参数调整及后处理，帮助学习者掌握多物理场耦合仿真技能，适配论文复现与工程应用需求，详情见后文。

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激光打孔熔池前沿技术-新闻速递    

2025 年，相关研究团队通过有限元分析建立完善的流热耦合模型，完成了复合脉冲激光打孔动态演变过程的动力学仿真。该模型综合考虑表面张力、反冲压力等多种影响因素，采用水平集方法追踪小孔界面。实验对比显示，ms 脉冲与 ns 脉冲复合的激光打孔方式，能量利用率更高，能实现更快打孔速度，且热影响区和小孔半径更小。该仿真结果通过实验验证，为复合脉冲激光打孔的参数优化提供了可靠的理论依据。

2025 年 1 月，武汉高校研究人员在《Advanced Manufacturing》发表研究成果，提出一种融合迁移学习的物理引导神经网络（TLE-PINN）用于选择性激光熔化中的熔池形貌预测。该技术创新性地将物理约束与深度学习结合，既解决了纯数据驱动模型缺乏物理一致性的问题，又弥补了传统数值仿真计算量大、耗时长的短板。通过迁移学习框架微调模型，仅更新网络最后层参数，大幅提升了训练效率，为激光加工的实时过程控制和质量提升提供了高效解决方案。

2025 年 6 月，一项针对激光加工熔池 - 匙孔动态行为的高效数值模拟技术获得专利。该技术基于格子玻尔兹曼法，结合 MPI 并行计算技术，创新采用动态滑移技术将大计算域缩小，降低了计算资源消耗。同时通过降维通信技术解决高维数据混合通信的混乱问题，并以串行并行混合方式实现气液界面的精确追踪。这一突破成功实现了全焊缝大尺度的激光加工数值模拟，为航空航天、海洋船舶等领域重大装备的构件制造提供了技术支撑。

2025 年 10 月，苏黎世联邦理工学院团队在《Journal of Intelligent Manufacturing》发表研究成果，推出基于隐式神经表示的 MeltpoolINR 微分神经网络模型。该模型融合傅里叶特征编码与物理引导机制，解决了激光粉末床熔融过程中温度场与熔池演化难以快速精准预测的问题。其不仅能精准预测温度场、热梯度等关键参数，还首次实现熔池几何特征对工艺参数的灵敏度量化。经测试，该模型温度场预测的决定系数达 0.99 以上，熔池几何的倒角距离误差控制在 5μm 以内，显著优于传统卷积神经网络。

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激光打孔熔池仿真的应用场景及价值    

当前，激光打孔熔池演化仿真广泛应用于高精密制造核心场景，覆盖航空航天、电子半导体、医疗器件及能源汽车等领域。航空航天领域中，针对涡轮叶片、燃烧室衬套等高温合金部件的微米级冷却孔加工，仿真可精准模拟 Inconel 718、TC4 钛合金等材料的熔池流动与相变，预判孔壁凹凸、喇叭状洞口等形态缺陷，避免实际加工中的孔道堵塞与裂纹；电子半导体领域聚焦芯片散热孔、PCB 板导通孔加工，通过仿真优化短脉冲激光参数，控制热影响区面积与孔位偏差，保护敏感元件免受高温损伤；医疗器件制造中，针对医用针管侧孔、植入支架导流孔，仿真可优化生物相容性材料的加工参数，减少毛刺与尺寸偏差；能源汽车领域则通过仿真保障燃料电池双极板流道孔、喷油嘴喷孔的圆度与流量一致性。

该仿真的核心价值在于以数字化手段实现工艺优化与成本管控，为实际生产提供强力支撑。通过模拟不同激光功率、扫描速率、辅助气体压力等参数组合下的熔池行为，无需反复开展物理试验即可快速锁定最优方案，将工艺研发周期缩短 30%-50%，显著降低昂贵材料的损耗成本。同时，仿真能精准预判再铸层、未熔合孔隙等缺陷，结合 Hall-Petch 方程预测材料力学性能，使产品合格率提升 20%-40%，保障涡轮叶片高温稳定性、医用支架植入安全性等关键指标。此外，仿真建立的 “参数 - 熔池行为 - 质量” 关联模型，可为批量生产提供标准化参数库，减少质量离散性，同时支撑脉冲整形激光等新型加工技术的研发创新。

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激光打孔熔池演化仿真三个关键问题    

激光打孔熔池演化仿真涉及多物理场耦合，用户多为科研人员与工业工艺优化工程师，核心诉求围绕仿真可靠性、机理还原度和工业实用性，其中最关注的三个问题集中在仿真精度验证、关键参数影响以及多物理场耦合建模合理性，具体如下：

仿真结果是否贴合实际加工情况，是用户开展后续研究和工艺优化的前提，用户需通过多维度验证确保数据可靠。一方面是实验层面的验证，常用截面金相分析测量熔池深度、宽度等关键尺寸，搭配高速摄像观测熔池动态波动，再结合扫描电镜或三维轮廓仪获取孔洞三维形貌，将这些实测数据与仿真结果对比，比如在特定激光参数下，需保证熔池深度误差≤8%、宽度误差≤12% 才符合多数场景要求；另一方面是数值与理论层面的验证，通过网格收敛性分析（网格密度增加 10 倍时熔池尺寸变化＜2%）和时间步长敏感性校验把控数值稳定性，同时对照 Rosenthal 点热源模型等半解析模型，通过无量纲数关联校验熔池振荡等现象，交叉验证模型合理性。

用户需明确工艺参数与熔池行为的关联，以此指导实际加工参数优化。激光参数方面，功率、脉冲宽度和频率影响显著，比如毫秒激光能量增大时，熔池尺寸和流速会同步增加，能量足够大时还会引发气化，蒸汽反冲压力会推动熔融物喷溅，喷溅速度最高可达 30m/s；而阶梯式功率输出比恒定功率能让加工效率提升 23%。此外，离焦量对熔池关联的通孔锥度影响权重达 42%，辅助气体压力在 200 - 250mbar 区间时，既能通过气流控制熔渣飞溅，又不会干扰熔池的稳定演化。这些参数的细微调整都可能改变熔池的流动速率、凝固形态，进而影响打孔质量。

激光打孔熔池演化涉及热传导、流体流动、相变等多个物理过程，模型构建难度大，用户需解决多物理场耦合的建模难题以还原真实场景。一是气液界面追踪问题，熔池演化中存在熔化、气化等相变，气液界面不断变化，用户常采用 Level Set 方法追踪界面，但粒子飞溅仍需搭配离散相建模辅助模拟；二是参数设定的准确性，像表面张力系数随温度变化会引发马兰戈尼对流，时间步长超过 1e - 6 秒就可能导致相界面数值震荡，需设置自动变步长并调高迭代次数；三是需完整考虑多作用力与相变过程，早期模型常忽略反冲压力、粘滞力和液 - 气相变，导致仿真偏差，目前用户建模时需纳入这些因素，还需对随温度跳变的材料热物理属性做平滑处理，以此精准还原熔池流动、压力变化及气化蒸发等真实演化特征。

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COMSOL毫秒激光打孔熔池演化仿真    

毫秒激光打孔熔池演化仿真在COMSOL中需重点解决多物理场耦合、相变模拟、气液界面追踪等核心问题，整体流程围绕几何建模、物理场配置、求解设置及后处理展开，以下内容来自我原创的视频课程《COMSOL毫秒激光打孔熔池演化仿真全流程实战课》节选，以下是详细操作步骤：

 

1、COMSOL激光打孔熔池仿真步骤  

步骤一、模型选取

根据论文提供的控制方程如下：可见为质量守恒方程、动量方程、能量方程及水平集方程。

因此采用流体传热+层流水平集进行仿真，多物理场中配以马兰戈尼效应以表征气液交界面因温度梯度产生的力对熔池的影响。

步骤二、几何建模及网格划分

建立2X2mm的几何体，上方为气体区域，下方为需要打孔的板材，厚度1.5mm，中间区域进行网格加密，以便于更好地捕捉网格。

步骤三、固液区设置

采用相变模型捕捉固液界面，并在动量方程中增加达西力表征流体在运动过程中收到固体的阻力，设置相变模型时，记住固液的物性参数中等压热容采用随温度变化的Heaviside函数；设置达西力时记住必须增加相区识别标识tpf1.Vf

步骤四、高斯热源设置

通过在能量方程中增加热源项，增加高斯热源，高斯热源由最大功率，光斑半径及打孔位置确定，右图为高斯热源的图像。

步骤五、根据论文中公式，添加重力、热浮力、反冲力如下

步骤六、添加蒸发损失

此步骤最为关键，因为涉及到饱和蒸气压力，根据论文公式，将其通过在水平集方程中添加弱解形式如下：

步骤七、添加气液初始状态

通过定义相的体积分数，将上方全部设置为气体。并初始化云图如下：

步骤八：计算及后处理

 

2、论文复现-COMSOL毫秒激光打孔熔池演化仿真  

《COMSOL毫秒激光打孔熔池演化仿真全流程实战课》笔者以论文复现为终极目标，参考南京理工大学博士论文《毫秒激光打孔过程熔融喷溅、重铸层和微裂纹形成机理研究》用17讲、超过3.5小时的硬核内容，带你逐行拆解仿真设置，直击核心技术难点。无论你是高校研究生、科研人员，还是从事激光工艺开发的工程师，这门课都将为你提供从理论到实操的一站式解决方案，并且还提供VIP群答疑服务。欢迎同行工程师、理工科学子加入VIP群 交流。

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论文复现必备！COMSOL毫秒激光打孔熔池演化仿真全流程实战课

本课程围绕毫秒激光打孔过程熔池演化的 COMSOL 仿真与论文复现展开，17 讲系统覆盖从基础到实操再到后处理的全流程，聚焦核心方程与多物理场耦合技术。

课程大纲及主要内容如下：

第1讲：激光的应用背景及分类

第2讲：激光打孔控制方程讲解及物理模型调用

第3讲：激光打孔几何模型建立及网格划分

第4讲：激光打孔热焓法的本质讲解

第5讲：激光打孔热焓法参数设置

第6讲：激光打孔能量方程修改 - 对流换热量及辐射热设置

第7讲：激光打孔能量方程修改 - 设置蒸发量

第8讲：激光打孔能量方程修改 - 设置高斯热源

第9讲：激光打孔动量方程修改 - 添加热浮力

第10讲：激光打孔动量方程修改 - 添加反冲压力

第11讲：激光打孔动量方程修改 - 添加表面张力和马兰戈尼力

第12讲：激光打孔动量方程修改 - 添加达西力

第13讲：激光打孔水平集方程讲解

第14讲：激光打孔水平集方程源项添加

第15讲：激光打孔边界条件添加

第16讲：激光打孔参数调整说明

第17讲：激光打孔后处理及总结

来源：仿真秀App